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        西南山區(qū)防洪水庫泄洪過飽和總?cè)芙鈿怏w預(yù)測(cè)及影響研究

        2024-12-02 00:00:00張志昊張鵬梁瑞峰王慶豐王遠(yuǎn)銘李克鋒
        人民珠江 2024年11期

        關(guān)鍵詞:總?cè)芙鈿怏w;過飽和;防洪高壩;評(píng)估框架;數(shù)值模擬

        中圖分類號(hào):TV87 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1001-9235(2024)11-0054-08

        水利水電工程在發(fā)揮防洪、發(fā)電、航運(yùn)和灌溉等社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)[1-2],也顯著地改變了河流的水文情勢(shì)、水溫和水生生物棲息地條件等[3],從而對(duì)河流生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生了一系列不利影響[4-6]。其中,高壩對(duì)河流影響尤為顯著。最突出的問題之一是高壩泄洪時(shí),水舌卷吸大量空氣進(jìn)入泄洪水流,強(qiáng)摻氣水流進(jìn)入消力池內(nèi),氣泡在高壓作用下迅速溶解于水體,從而達(dá)到相對(duì)于大氣壓的總?cè)芙鈿怏w(Total Dissolved Gas,TDG)過飽和狀態(tài)。然而過飽和TDG釋放過程極為緩慢,其持續(xù)影響可能導(dǎo)致壩下魚類患?xì)馀莶∩踔链笠?guī)模死亡[7-9]。

        目前,過飽和TDG 的研究主要集中于過飽和TDG的生成模型、輸移釋放模型、魚類對(duì)其的耐受性和回避行為,以及過飽和TDG 的減緩措施研究[10-12]。20世紀(jì)70年代起,美國陸軍工程兵團(tuán)在哥倫比亞河上布設(shè)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)。隨后,華盛頓大學(xué)等機(jī)構(gòu)提出過飽和TDG釋放過程服從一階動(dòng)力學(xué)方程,在縱向一維恒定流預(yù)測(cè)模型中引入表征TDG釋放速度的釋放系數(shù)[13]。Feng 等[14-15]基于國內(nèi)多個(gè)高壩工程原型觀測(cè)成果,對(duì)過飽和TDG釋放模型中釋放系數(shù)的取值進(jìn)行了修正和率定。Ma等[16]針對(duì)泄洪的非恒定流特征,建立了過飽和TDG一維非恒定流釋放預(yù)測(cè)模型,并在此基礎(chǔ)上,開發(fā)了過飽和TDG風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型。馮鏡潔等[17]提出了適合于山區(qū)狹長型水庫的立面二維過飽和TDG輸移釋放模型。Wan等[18]建立了深度平均的平面二維模型過飽和TDG輸移釋放模型,并運(yùn)用于金沙江下游向家壩水庫。Shen等[19]基于室內(nèi)試驗(yàn),開發(fā)了三維過飽和TDG輸移釋放模型。

        國內(nèi)外已有研究表明不同魚類對(duì)過飽和TDG水體耐受往往存在一定差異[20-21]。Beeman等[22]通過比較哥倫比亞河流域內(nèi)5種不同魚類在TDG過飽和水體中的半數(shù)死亡時(shí)間,結(jié)果表明不同魚類對(duì)TDG過飽和水體的耐受性各異。對(duì)長江上游特有魚類的室內(nèi)試驗(yàn)研究表明,胭脂魚、齊口裂腹魚和巖原鯉幼魚對(duì)TDG 過飽和水體耐受能力存在差異[23-25]。此外,國內(nèi)外學(xué)者還開展了魚類在TDG過飽和水體中的回避感應(yīng)能力研究。對(duì)哥倫比亞河中游分布的大鱗大馬哈魚的研究結(jié)果表明,大鱗大馬哈魚能探知到117% 的TDG 過飽和水體[26],對(duì)130%TDG飽和度水體能作出有效的回避[27]。對(duì)長江上游珍稀魚類胭脂魚和巖原鯉水平回避效應(yīng)的分析表明[11,23],高飽和度下魚類有較強(qiáng)的回避性,而當(dāng)飽和度在125%以下時(shí),回避性能則較弱。此外,魚類在TDG 過飽和水體中利用補(bǔ)償水深來躲避TDG過飽和的能力也存在差異。

        盡管TDG過飽和領(lǐng)域的研究成果豐碩,然而關(guān)于高壩泄洪TDG生態(tài)評(píng)估框架的研究還較為缺乏。針對(duì)特定流域不同泄洪強(qiáng)度影響下的TDG輸移釋放規(guī)律及其對(duì)下游河道的生態(tài)影響研究并不多。嘉陵江流域位于中國西南山區(qū),受地形條件、區(qū)域降水分布不均以及下墊面條件影響,流域內(nèi)洪澇災(zāi)害頻繁發(fā)生。近年來,該流域規(guī)劃新建以江家口為首的12座具有較大防洪作用的水庫,以提升該流域的防洪能力。本文以江家口水庫為研究對(duì)象,采用TDG過飽和生成模型和河道縱向一維TDG輸移釋放模型來探究壩下河道過飽和TDG的分布特征,并結(jié)合典型珍稀魚類對(duì)TDG過飽和的耐受性和行為學(xué)響應(yīng),分析TDG過飽和對(duì)壩下河流生態(tài)系統(tǒng)的影響。選擇江家口水庫的原因在于其工程代表性強(qiáng),其為該流域的典型高壩防洪水庫(壩高97. 9 m),泄洪能力強(qiáng);且生態(tài)敏感性強(qiáng),壩下28. 5 km處設(shè)有特有魚類國家級(jí)水產(chǎn)種質(zhì)資源保護(hù)區(qū),其泄洪產(chǎn)生的過飽和TDG對(duì)保護(hù)區(qū)內(nèi)魚類的影響尚不清楚。

        1研究區(qū)域和方法

        1. 1區(qū)域概況

        澌灘河位于通江左岸,全長129 km,總落差1 007 m,平均比降7. 8‰,屬于嘉陵江流域。江家口水庫位于澌灘河中游河段(圖1)。其防洪庫容為8304萬m3,年均來水量6. 12億m3,具有年調(diào)節(jié)性能。江家口水庫開發(fā)任務(wù)以防洪為主,兼顧發(fā)電。江家口壩下28. 5 km處為通河特有魚類國家級(jí)水產(chǎn)種質(zhì)資源保護(hù)區(qū)。該保護(hù)區(qū)于2010年11月25日由農(nóng)業(yè)部以第1491號(hào)公告批準(zhǔn)建立。保護(hù)區(qū)總面積1 970hm2,其中核心區(qū)面積945 hm2,實(shí)驗(yàn)區(qū)面積1025hm2。特別保護(hù)期為全年。保護(hù)區(qū)內(nèi)有魚類76種,分屬于7目18科63屬。在保護(hù)區(qū)內(nèi)分布有四川省重點(diǎn)保護(hù)魚類——巖原鯉,以及《世界自然保護(hù)聯(lián)盟瀕危物種紅色名錄》中近危物種——鰱。本研究選擇上述2種珍稀魚類作為目標(biāo)保護(hù)魚類。

        1. 2預(yù)測(cè)評(píng)估框架

        高壩泄洪過飽和TDG評(píng)估框架由過飽和TDG生成模型、過飽和TDG混合模型、過飽和TDG輸移釋放模型以及魚類生物響應(yīng)試驗(yàn)構(gòu)成(圖2)。首先基于水庫的典型泄洪方式,采用過飽和TDG生成模型預(yù)測(cè)不同泄洪情境下產(chǎn)生的過飽和TDG濃度;然后,通過過飽和TDG混合模型計(jì)算出由發(fā)電尾水混合后的研究河段源頭處的過飽和TDG濃度;根據(jù)計(jì)算出的混合濃度作為過飽和TDG輸移釋放模型的輸入邊界條件,計(jì)算沿程的TDG濃度分布以及水深等水力學(xué)參數(shù);通過室內(nèi)/現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)獲得魚類的耐受性和回避能力。具體方法推薦參考文獻(xiàn)[25]的研究;最后,將目標(biāo)魚類的耐受性和回避能力與TDG濃度場(chǎng)和水動(dòng)力場(chǎng)耦合,對(duì)比分析過飽和TDG對(duì)魚類的影響程度。

        1. 2. 1縱向一維水動(dòng)力模型

        水動(dòng)力學(xué)特性模擬以河道縱向一維非恒定流水面線方程為基礎(chǔ),水動(dòng)力學(xué)方程如下:

        1. 2. 2過飽和TDG生成模型

        國內(nèi)外關(guān)于水壩泄水導(dǎo)致TDG過飽和的預(yù)測(cè)方法主要有經(jīng)驗(yàn)公式、機(jī)理解析模型和紊流數(shù)值模型[28]。在本研究中,采用馬倩[10]開發(fā)的過飽和TDG生成模型預(yù)測(cè)江家口水庫TDG的生成濃度。過飽和TDG的產(chǎn)生過程可分為3個(gè)階段:①由空氣射流產(chǎn)生的TDG;②氣體在高壓下溶解在消力池中;③在消力池出口處突然釋放TDG。

        1. 2. 3過飽和TDG混合模型

        泄水產(chǎn)生的過飽和TDG在下游河道的輸移釋放過程中伴隨支流匯入,采用混合模型考慮支流/發(fā)電尾水的匯入影響,即:

        根據(jù)研究河段與各原型觀測(cè)河段水深、流速等特征參數(shù)分析,江家口水庫下游為天然河道和雙灘庫區(qū)。而其河段中的流量大小與瀾滄江流量相近,過水?dāng)嗝鏀?shù)量級(jí)相似,本文預(yù)測(cè)中綜合系數(shù)?T 參考瀾滄江河段[29],并采用兩河段的平均橫斷面面積比修正得到,其值在江家口壩后至雙灘庫尾的天然河道段為4. 52×10-9 /s,雙灘庫尾至雙灘壩前的庫區(qū)段為1. 23×10-9 /s,雙灘壩前至平昌縣的天然河道為2. 25×10-9 /s。

        1. 3泄洪情景擬定

        由1. 2. 3節(jié)可知,氣體過飽和TDG的生成大小與泄洪流量和泄洪方式有關(guān)。根據(jù)江家口水庫的設(shè)計(jì)參數(shù),實(shí)際工程運(yùn)行中,針對(duì)常遇洪水開展氣體過飽和影響研究更具實(shí)際意義,確定針對(duì)2年一遇(P=50%)洪水和5年一遇(P=20%)洪水開展過飽和TDG影響預(yù)測(cè)。根據(jù)江家口水庫的泄洪建筑物行洪能力,校核蓄水位下表孔溢洪道最大泄洪能力為6 380 m3/s,單個(gè)底孔泄洪洞的最大泄洪能力為1 677 m3/s。由此確定過飽和TDG 生成預(yù)測(cè)工況,見表1。

        2結(jié)果與討論

        2. 1不同工況下過飽和TDG濃度生成預(yù)測(cè)

        采用1. 2. 2節(jié)的數(shù)學(xué)模型預(yù)測(cè)得到江家口水庫在單獨(dú)運(yùn)行下,各工況的泄洪生成的TDG飽和度見表2。預(yù)測(cè)結(jié)果顯示,江家口單獨(dú)泄洪條件下,無論采用何種泄洪建筑物泄洪,5 年一遇泄洪產(chǎn)生的TDG飽和度最高。具體如下:當(dāng)采用表孔溢洪道宣泄2年一遇洪水(工況1)時(shí),泄洪產(chǎn)生的TDG飽和度為110. 9%;當(dāng)采用表孔溢洪道宣泄5年一遇洪水(工況2)時(shí),泄洪產(chǎn)生的TDG飽和度為115. 4%;當(dāng)采用底孔泄洪放空洞宣泄2年一遇洪水(工況3)時(shí),泄洪產(chǎn)生的TDG 飽和度為113. 7%;當(dāng)采用底孔泄洪放空洞宣泄5年一遇洪水(工況4)時(shí),泄洪產(chǎn)生的TDG飽和度為119. 9%。

        2. 2壩下過飽和TDG輸移釋放

        根據(jù)河道水動(dòng)力學(xué)計(jì)算結(jié)果,得到江家口水庫工況1、3(2年一遇)和工況2、4(5年一遇)壩址下游的沿程釋放系數(shù),其變化情況可大致分為天然河道、庫區(qū)和天然河道3個(gè)階段,見圖3。

        工況1、3流量下過飽和TDG釋放系數(shù)平均值在江家口壩址至喜神河匯口河段為0. 150/h,其中最大值為0. 210/h,最小值為0. 093/h;喜神河匯口至雙灘壩址庫區(qū)為0. 067/h,其中最大值為0. 110/h,最小值為0. 020/h;雙灘壩址至平昌縣河段平均釋放系數(shù)0. 160/h。

        工況2、4流量下過飽和TDG釋放系數(shù)平均值在江家口壩址至喜神河匯口河段為0. 14/h,其中最大值為0. 19/h,最小值為0. 15/h;喜神河匯口至雙灘壩址庫區(qū)為0. 071/h,其中最大值為0. 10/h,最小值為0. 02/h;雙灘壩址至平昌縣河段平均釋放系數(shù)為0. 15/h。采用1. 2. 4節(jié)中涉及的TDG釋放模型,分別對(duì)江家口水庫2年一遇和5年一遇洪水條件下過飽和TDG在江家口壩下至平昌縣河段的輸移釋放過程進(jìn)行預(yù)測(cè),結(jié)果見圖4、表3。

        預(yù)測(cè)結(jié)果顯示,各工況下,泄洪生成的過飽和TDG 在下游河道內(nèi)逐漸釋放,TDG飽和度逐漸降低。工況1中,泄洪水流生成TDG飽和度為110. 9%。因江家口壩址距喜神河匯口僅6. 0 km,TDG隨流輸移釋放效果不明顯,TDG飽和度沿程變化很小。未考慮喜神河上支流梯級(jí)泄洪的影響,TDG飽和度值為100%,但由于此支流流量較小,匯入后使澌灘河干流內(nèi)TDG飽和度僅降低0. 5%,由110. 7% 降低至110. 2%。隨著向下游輸移釋放,TDG飽和度逐漸降低,至距離江家口壩址28. 5 km處在左岸匯入通江,TDG 飽和度降低為107. 0%。至江家口壩下38. 8 km為雙灘壩址斷面,其TDG飽和度為105. 4%。雙灘壩下輸移釋放至平昌縣時(shí),TDG飽和度由105. 4% 減少至103. 9%,減少了1. 5%。壩下28. 5 km 處進(jìn)入通河特有魚類國家級(jí)水產(chǎn)種質(zhì)資源保護(hù)區(qū),保護(hù)區(qū)最高飽和度為106. 6%。

        在工況2中,泄洪水流生成TDG飽和度為115. 4%。至喜神河匯口TDG飽和度為115. 1%,基本未發(fā)生變化。喜神河匯入后使澌灘河干流內(nèi)TDG飽和度僅降低0. 4%,由115. 1. % 降低至114. 7%。隨著向下游輸移釋放,TDG飽和度逐漸降低,匯入通江后,TDG飽和度降低為110. 9%。至雙灘壩址斷面,其TDG 飽和度為109. 3%。雙灘壩下輸移釋放至平昌縣時(shí),TDG飽和度減少了2. 1%,由109. 3% 至107. 2% 。保護(hù)區(qū)內(nèi)最高飽和度為110. 9%。

        在工況3中,溢洪洞泄洪水流生成TDG飽和度為113. 7%。喜神河匯入后,TDG 飽和度降低至112. 8%。由于TDG 隨流輸移釋放及通江干流對(duì)TDG 的稀釋,至雙灘壩址斷面,TDG 飽和度減至106. 8%。水流抵至平昌縣的TDG 飽和度為104. 9%。保護(hù)區(qū)內(nèi)最高飽和度為108. 3%。

        在工況4中,溢洪洞泄洪水流生成TDG飽和度為119. 9%。喜神河匯入后,TDG 飽和度降低至119. 0%。由于TDG 隨流輸移釋放及通江干流對(duì)TDG 的稀釋,至雙灘壩址斷面,TDG 飽和度減至112. 1%。水流抵至平昌縣的TDG飽和度為109. 3%。保護(hù)區(qū)內(nèi)最高飽和度為114. 2%。

        2. 3過飽和TDG對(duì)壩下魚類的影響

        本研究基于王遠(yuǎn)銘[25]提出的長江上游保護(hù)魚類的安全TDG濃度115%,并結(jié)合巖原鯉和鰱魚的耐受性和垂向回避能力實(shí)驗(yàn),分析壩下河段TDG對(duì)魚類的影響。對(duì)于鰱魚來說,由于耐受性較高,其對(duì)TDG飽和度的耐受閾值為130%[30]。由圖4可知,4種工況中過飽和TDG的最高濃度為119. 9%,因此不會(huì)對(duì)鰱魚造成不利影響。

        對(duì)于巖原鯉來說,在TDG 濃度高于115%時(shí),會(huì)發(fā)生死亡現(xiàn)象。因此,工況1、3全河段不會(huì)對(duì)巖原鯉產(chǎn)生不利影響;工況2 中,距離壩址2. 7 km 處TDG濃度降低到115%以下;工況4中,通江匯口下游1. 0 km后TDG濃度降低到115%以下。因此工況2中距離壩址2. 7 km以后的河段和工況4中通江匯口下游1. 0 km 后的河段不會(huì)對(duì)巖原鯉產(chǎn)生不利影響。

        文獻(xiàn)[26]研究表明,巖原鯉具有垂向回避能力,對(duì)于任一水平的過飽和TDG,均存在一對(duì)應(yīng)水深,在這個(gè)深度上,魚類所能感受到的過飽和程度為0,因而可以躲避TDG過飽和的影響,這一水深即為魚類的補(bǔ)償深度。對(duì)于TDG過飽和的水體,如果水深大于魚類補(bǔ)償深度要求,魚類能夠潛入到補(bǔ)償深度以下的水域生活,就可以躲避TDG過飽和的影響。基于此,針對(duì)TDG濃度高于115%的河段,計(jì)算了所需的補(bǔ)償水深(圖5)。結(jié)果表明,對(duì)于2年一遇和5年一遇的洪水過程,全河段水深均大于巖原鯉所需的補(bǔ)償水深,工程對(duì)巖原鯉的影響極其有限。

        綜上,江家口水庫泄洪產(chǎn)生的過飽和不會(huì)對(duì)國家種質(zhì)資源保護(hù)區(qū)產(chǎn)生不利影響。此外,本研究建議江家口在采用底孔泄洪洞宣泄5年一遇洪水時(shí),應(yīng)采用間歇性泄洪[10],使壩下局部河段(保護(hù)區(qū)外)過飽和TDG對(duì)巖原鯉的影響降到最低。

        3結(jié)論

        a)江家口水庫單獨(dú)運(yùn)行的情景下,采用表孔溢洪道宣泄2 年一遇洪水時(shí)產(chǎn)生的TDG飽和度為110. 9%,采用表孔溢洪道宣泄5年一遇洪水時(shí)產(chǎn)生的TDG 飽和度為115. 4%,采用底孔泄洪放空洞宣泄2年一遇洪水時(shí)產(chǎn)生的TDG飽和度為113. 7%,采用底孔泄洪放空洞宣泄5年一遇洪水時(shí)產(chǎn)生的TDG飽和度為119. 9%。基于過飽和TDG縱向一維輸移釋放模型,除采用表孔溢洪道宣泄5年一遇洪水時(shí)江家口壩址-江家口壩下2. 7 km河段和采用底孔泄洪放空洞宣泄5年一遇洪水時(shí)江家口壩址-通江匯口河段外,其余工況各河段的TDG濃度均低于115%。

        b)相同工況對(duì)不同保護(hù)魚類的影響不同,鰱魚對(duì)TDG濃度低于130%的水體有耐受性,巖原鯉在TDG濃度高于115%時(shí)會(huì)出現(xiàn)死亡現(xiàn)象。故4種泄洪工況均不會(huì)對(duì)鰱魚產(chǎn)生不利影響;且由于壩下河段泄洪期水深均大于巖原鯉的補(bǔ)償水深,巖原鯉在利用補(bǔ)償水深后,也不會(huì)受到過飽和TDG的影響。綜上所述,江家口水庫單獨(dú)運(yùn)行的情景下,其泄洪過程不會(huì)對(duì)國家種質(zhì)資源保護(hù)區(qū)產(chǎn)生影響。

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